Wnt/β-catenin信号传导通路与大肠癌的发生发展

郭 颖,郭建华 综述，张林西 审校

(1.河北北方学院基础医学院病理教研室，河北 张家口 075000；2.张家口市红十字医院B超室， 河北 宣化 075100；3.河北北方学院生命科学研究中心，河北 张家口 075000)

Wnt/β-catenin信号传导通路与大肠癌的发生发展

郭 颖1,郭建华2综述，张林西3审校

(1.河北北方学院基础医学院病理教研室，河北 张家口 075000；2.张家口市红十字医院B超室， 河北 宣化 075100；3.河北北方学院生命科学研究中心，河北 张家口 075000)

大肠癌的发生发展是一个多因素、多阶段、多基因改变逐渐累积的复杂过程。Wnt/β-catenin信号传导通路中某些关键成员的基因异常改变(突变或缺失)，导致通路的异常激活，与大肠癌的发生发展密切相关。现针对Wnt/β-catenin信号传导通路与大肠癌发生发展的关系进行综述。

1 Wnt/β-catenin信号传导通路

Wnt/β-catenin信号传导通路是一个多环节、多作用位点、胚胎生长发育所必需的重要信号调控通路。在多种因素的作用下，此信号通路精确地调控着动物的正常生长和发育，而当其影响因素发生变化使其不正当活化时，即会导致肿瘤。该信号传导通路包括胞膜、胞质、胞核信号3部分。在Wnt信号通路未被激活的正常细胞中，β-连环蛋白(β-catenin，β-cat)主要连接在E-钙粘蛋白(epithelial cadherin, E-cad)分子上，而细胞质内只有少量的β-cat。细胞质内由结直肠腺瘤性息肉病蛋白(adenomatous polyposis colon，APC)、轴蛋白(Axin)、糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)和β-TrCP(β-transducin repeat-containing proteins)组成的复合物可降解β-cat。当细胞内的信号转导通路被激活时，Wnt家族分泌性相关蛋白—Wnt蛋白可以活化细胞内散乱蛋白(dishevelled,Dsh)。而Dsh的活化抑制了蛋白复合物的活性，导致β-cat在细胞内无法被降解而大量积聚并转移到细胞核内，与转录因子T细胞转录因子/淋巴增强因子(T cell factor/lymphoid enhancing factor，TCF/LEF)相结合，激活下游靶基因的转录。常见的靶基因有CyclinD1、MMP-7、LGR5、ASCL2、SOX9、C-myc、COX-2等[1-3]。这些基因在肿瘤发生发展中扮演了重要的角色，主要通过推动细胞周期发展使细胞增殖加快和异常蛋白产生，进而加速细胞癌变与肿瘤形成，这些异常蛋白是Wnt信号最终效应的启动器。Wnt信号传导途径的异常激活参与多种人类癌症的发病，特别是结直肠癌。

2 Wnt/β-catenin信号传导通路的核心β-catenin

人类β-cat基因(CTNNB1)先后由Kraus和 van Hengel等[4]检测到，定位于染色体3p21.3-p22，该区域是人类基因组经常发生恶性改变的区域。基因全长23.2 kb，含16个外显子，其中第3外显子最为重要,位于β-cat氨基末端，是GSK-3β的磷酸化位点。能够编码β-cat降解所需的氨基酸序列如Ser33、Ser37、Ser41、Thr41，而第3外显子的突变在某些肿瘤组织中检测出来[5]。β-cat蛋白相对分子量为92～95 kD，由781个氨基酸残基组成。在一级结构中主要有3个功能区域：150个氨基酸残基组成的N端，100个氨基酸残基组成的C端以及550个氨基酸残基的中央arm重复序列。N端是β-cat受GSK3β磷酸化降解的位点；C端和armadillo区域共同参与TCF/LEF的活化；中间armadillo重复序列处于β-cat的134～671位氨基酸残基位点，每42个氨基酸残基构成12个重复序列，除第7个重复序列缺乏H螺旋外，每个重复序列都有3个α螺旋，相邻的螺旋结构组成了超螺旋，β-cat就通过这种超螺旋结构与E-cad、APC等多种蛋白互相结合而发挥各种功能[6]。由此可见，β-cat在Wnt信号通路中发挥核心作用。

3 Wnt/β-catenin信号通路主要成分异常与大肠癌

3.1 Wnt基因及其受体异常与大肠癌

至今在人类染色体中已克隆出19种Wnt基因家族的成员，它们是Wnt信号传导通路的启动因素。由Wnt基因编码的蛋白—Wnt蛋白，是一种分泌型的糖蛋白，是Wnt信号传导系统的起始蛋白质。多项研究证实Wnt的异常激活与多种肿瘤的发生有关，包括头颈部恶性肿瘤、结直肠癌、肺癌等[7-9]。当细胞或组织中出现Wnt异常表达时，就会启动Wnt/β-catenin经典信号通路， Wnt蛋白与胞膜上低密度脂蛋白受体相关蛋白(low density lipoprotein receptor related protein)LRP-5、LRP-6辅助受体和卷曲蛋白(Frizzled，Frz)受体结合，可作为Wnt通路的激活信号，从而使细胞浆内的β-cat数量增多并进入细胞核，激活靶基因转录。另外，WIF-l、Cerberus和FrzB竞争性抑制Wnt和Frz受体的结合，同时Dickkopf家族(DKK-l，DKK-2)也通过减少可利用的辅助受体LRP的数量来间接抑制Wnt与膜受体的结合。目前有研究表明，Wnt基因及其受体异常与人类肿瘤的发生有一定的相关性，如Wnt-2和Wnt-5a可能在大肠癌的发生、发展中起重要作用[10-11]。另外，DKK-1的失活也可能与大肠癌的进展有一定关联[12]。

3.2 β-catenin突变和异常表达与大肠癌

有资料显示，β-cat基因(CTNNB1)第三外显子突变是引起Wnt/β-catenin通路异常激活的原因之一，是目前研究的突变热点。第3号外显子的密码子主要包括Ser33、Ser37、Ser41、Thr41等，GSK-3β磷酸化位点就在以上密码子编码的蛋白质区，研究已发现肿瘤组织中存在这些位点的缺失或突变。Morin等[13]研究了4株结肠癌细胞，经分析发现，其中半数结肠癌的细胞株中都存在CTNNB1突变，同时发现一株突变的位置在第33号密码子出现点突变，即Ser33→Tyr，而另一株存在Ser45密码子的缺失。另外，又研究了5例结肠癌标本，其中3例存在CTNNB1突变，而且突变都发生在3号外显子所编码的与GSK-3β发生磷酸化的位点上。由于此位点的突变，使β-cat无法与GSK-3β结合，从而β-cat不被蛋白复合体降解，β-cat在胞浆内过多积聚，进入核内启动下游靶基因，导致肿瘤的发生；与此同时β-cat突变后不能与E-cad结合，也就无法形成E-cad/β-cat功能复合体，从而细胞之间黏附力下降，这也是肿瘤细胞发生浸润和转移的原因。研究发现，大肠腺瘤和大肠癌中有相当比例的肿瘤中有β-cat基因突变。在动物实验中，由毒物诱导的大肠癌中就可频繁检测到β-cat基因突变[14]。

3.3 APC基因突变与大肠癌

腺瘤性息肉病基因(adenomatous polyposis colon)，也称APC基因。APC蛋白有多个功能域，其中间区域就是和β-cat结合的磷酸化位点。APC在调节β-cat的稳定性中起负性调节作用，能刺激β-cat被GSK-3β磷酸化，促进胞浆β-cat的降解。

研究发现，APC突变发生最多的部位在第15个外显子的5′端编码的1280～1500氨基酸残基的区域，这个区域的突变可影响位于1020～1169和1324～2075氨基酸残基间的功能域，妨碍了与β-cat的结合，从而β-cat不能被降解，在胞浆内过量累积并进入细胞核。Henderson等[15]发现，APC可能是β-cat的分子伴侣，两者结合有助于维持细胞内β-cat低水平。因为APC可进入细胞核与β-cat结合并将其带出细胞核，使β-cat与E-cad结合发挥黏附作用或被蛋白酶体降解。而APC突变后就无法发挥此功能，使β-cat在胞浆和胞核内异常蓄积，而诱导肿瘤的发生。

3.4 Axin基因突变与大肠癌

目前研究发现Axin家族主要包括Axin(Axin1)和Axin2这两个成员。人Axin基因分别定位于16q13-3和17q23-24上，两者的cDNA都包含10个外显子，分别编码有862及843个氨基酸残基的蛋白质。

在结直肠癌的发生过程中，Axin1和Axin2的突变也起了重要的作用。Axin1基因突变常发生在第1和第5外显子之间，影响与APC、GSK-3β和β-cat结合的位点，使蛋白复合体解聚，从而使细胞内β-cat浓度升高，而且Axin2也含有APC、GSK-3β和β-cat的结合位点。

由此可见，Axin是蛋白复合体形成的支架蛋白，具有协助GSK-3β磷酸化β-cat的作用，如果Axin基因突变，就会使从而使细胞内β-cat异常蓄积，进而异常激活Wnt信号通路[16]。Parveen等[17]在研究大肠癌组织时发现Axin突变，但β-cat和APC都未出现突变，导致与GSK-3β或Dsh结合的位点消失，进而出现β-cat在核内积聚。同时有研究发现，在人的大肠癌组织中Axin的表达与β-cat的细胞核蓄积和大肠癌的低分化呈负相关[18]。提示Axin可能在肿瘤的浸润、转移过程中也起重要作用。

3.5 TCF-4与大肠癌

T细胞因子(TCF)家族包含4个不同蛋白TCF-l、TCF-2、TCF-3、TCF-4/LEF。在大肠正常上皮及肿瘤细胞中表达的主要是TCF-4。TCF-4在Wnt信号通路中起着分子开关的作用，在缺乏信号刺激时，转录抑制因子CBP(CREB binding protein)和Grouch蛋白与TCF-4结合，封闭下游基因的转录。然而，当Wnt信号激活时，上游信号分子β-cat进入细胞核后竞争结合TCF-4，从而去除抑制作用，开启靶基因的转录表达。Cuilliere-Dartigues 等[19]发现多数大肠癌细胞中TCF-4的突变发生在基因的3′端，可减少C-末端结合蛋白的结合，从而增强Wnt下游靶基因的转录活性，这说明TCF-4基因突变促进了结肠癌的发生发展。然而，β-cat/TCF-4复合物进入细胞核后，受到哪些信号分子的调控从而启动特定靶基因的转录和表达，目前尚不十分清楚。

3.6 COX-2及其产物PGE2与大肠癌

Asting等[20]通过微阵列芯片分析研究发现，COX-2蛋白在大肠癌中高表达。国内外大量实验现已证实，COX-2的过表达与大肠癌发生、发展、浸润、转移密切联系。COX-2激活后所产生的炎症产物PGE2与其受体结合，使胞浆G蛋白偶联受体(Gas)被激活，并与Axin结合，从而使APC蛋白复合体解聚，这样β-cat不能被GSK-3β磷酸化，而在胞浆内大量累积并进入细胞核，使下游靶基因异常转录，从而促进大肠癌的发生发展[21]。

4 对Wnt/β-catenin通路的临床干预

在结直肠癌的发生机制中普遍存在Wnt信号通路异常激活，因此认为从不同水平阻断Wnt信号通路可发挥抗肿瘤作用。①阻断Wnt蛋白表达：Wnt蛋白是Wnt信号通路的起始蛋白质，其异常激活与肿瘤的发生有关。因此，阻断其表达可抑制Wnt通路的激活，如应用Wnt单克隆抗体或小干扰RNA能诱导肿瘤细胞凋亡。分泌性卷曲相关蛋白(secreted frizzled related proteins，sFRPs)是Wnt拮抗剂，可与受体竞争结合Wnt蛋白或者直接与Wnt蛋白结合，从而阻断Wnt信号通路。sFRP1甲基化及其所致表达下调可能在部分结直肠癌的发病过程中起重要作用[22]。将sFRP4转染到sFRP4缺失的肿瘤细胞中，发现肿瘤细胞的生长明显受到抑制并逐渐出现肿瘤细胞凋亡[23]。DKK(Dickkopf)蛋白是Wnt辅助受体低密度脂蛋白受体相关蛋白5/6(low density lipoprotein receptor related protein 5/6，LRP5/6)的拮抗剂。Lim等[24]在结肠癌中就通过诱导DKK-4基因的表达从而阻断了Wnt信号通路。②阻断β-cat蛋白表达，促进β-cat的降解：β-cat表达增高是Wnt信号通路激活并诱导肿瘤发生的关键环节，因此，可以阻断β-cat的表达为治疗靶点，如：通过RNA干涉技术及反义基因治疗阻断β-cat的表达；还可以通过泛素蛋白泛素化并降解胞浆中β-cat的表达，作为抗癌治疗的一个新靶点。非甾体类抗炎药可通过增加β-cat的降解发挥抗肿瘤作用。Greenspan等[25]报道布洛芬可有效抑制活化的核β-catenin，从而抑制 Wnt信号途径的转录活性。③促进β-cat重新转位到细胞膜：正常情况下，β-cat主要与E-cad结合，定位于细胞膜上，而肿瘤细胞的胞膜上β-cat减少，大部分在细胞内积聚，若使细胞浆或细胞核中的β-cat重新转位到细胞膜，就可相应地减少细胞内的β-cat，从而达到阻断Wnt通路的目的。如SKI-606是结肠癌细胞β-cat的酪氨酸残基磷酸化的主要激酶pp60的抑制剂，可使β-cat重新定位于细胞膜，使β-cat与E-cad结合形成复合体，相应地减少核内β-cat与TCF/LEF的结合及转录，从而抑制结肠癌细胞的生长与运动[26]。④抑制β-cat/TCF转录活性：如植物类化合物姜黄素和咖啡酸苯乙酯就可发挥此功能，使下游靶基因受到广泛抑制，从而在一定程度上阻断肿瘤进一步发展。⑤阻断Wnt/β-catenin信号通路的下游靶基因：β-cat在胞浆内过多积聚后，进入细胞核，并与TCF/LEF结合，可以调控下游如C-myc、COX-2、MMP7等靶基因的表达，而这些靶基因可参与肿瘤的发生发展过程中并起重要作用。因此，阻断它们的表达可作为癌症治疗的靶点。

5 结 语

Wnt/β-catenin信号通路的异常活化参与了大肠癌的发生发展，其机制较为复杂，仍处于研究和探索阶段。随着相关机制不断深入研究，针对该通路的不同基因靶点和高特异性基因药物不断涌现，将为人类战胜癌症提供新的希望。

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[责任编辑：李蓟龙]

河北省高等学校科学技术研究青年基金项目(QN20131078)

郭颖(1982-)，女，河北张家口人，讲师，硕士，研究方向：消化道肿瘤病理。

R 735.34

C

10.3969/j.issn.1673-1492.2015.02.036

来稿日期：2014-12-04